JP2018115608A - Homogeneous-charge compression two-stroke engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、予混合圧縮自着火2ストロークエンジンに関する。 The present invention relates to a premixed compression auto-ignition two-stroke engine.
予混合圧縮自着火(HCCI:Homogeneous-Charge Compression Ignition)或いは制御自着火(CAI:Controlled Auto Ignition)方式による燃焼は、高エネルギー効率、低NOx排出量が可能な内燃機関として多方面で実用化に向けた研究がなされている(例えば、本出願人による特許文献1参照)。
Combustion by premixed compression auto ignition (HCCI) or controlled auto ignition (CAI) has been put to practical use as an internal combustion engine capable of high energy efficiency and low NOx emissions. Research has been made (for example, see
HCCI燃料は、圧縮行程における混合気温度によって着火のタイミングが決まる。そのため、燃焼の制御が難しく、燃焼を制御可能な運転範囲が通常の火花点火(SI:Spark Ignition)燃焼に比べて狭くなるという課題がある。 The ignition timing of the HCCI fuel is determined by the mixture temperature in the compression stroke. Therefore, it is difficult to control the combustion, and there is a problem that the operating range in which the combustion can be controlled becomes narrower than that of normal spark ignition (SI) combustion.
ところで、吸気に水を含ませることで、水の気化潜熱による冷却効果によって吸入空気量の増加が望める上、ノッキングに対するタフネス向上効果があることが知られている。そこで、吸気に燃料と共に水を混合させることで吸気を冷却し、HCCI燃焼が成立する運転領域を拡大させることが考えられる。 By the way, it is known that by including water in the intake air, an increase in the intake air amount can be expected due to the cooling effect due to the latent heat of vaporization of water, and there is an effect of improving toughness against knocking. Therefore, it is conceivable to expand the operating range in which HCCI combustion is established by cooling the intake air by mixing water with fuel in the intake air.
しかしながら、燃料及び水を含む吸気をクランク室で混合すると、クランクケースに付着した水が潤滑油と混ざるため好ましくない。 However, mixing the intake air containing fuel and water in the crank chamber is not preferable because water adhering to the crankcase is mixed with the lubricating oil.
本発明は、このような背景に鑑み、潤滑油への水の混入を回避しつつ、HCCI燃焼が成立する運転領域を拡大させることが可能なエンジンを提供することを課題とする。 In view of such a background, it is an object of the present invention to provide an engine capable of expanding an operation region in which HCCI combustion is established while avoiding mixing of water into the lubricating oil.
上記課題を解決するために本発明の一態様に係る予混合圧縮自着火2ストロークエンジン(E)は、シリンダ(22)を画成するシリンダ壁(19、3、4)と、前記シリンダに往復動可能に設けられ、前記シリンダ内に燃焼室(29)を画成するピストン(23)と、前記シリンダの下端に連通するクランク室(2A)を画成するクランクケース(2)と、前記クランク室に連通する吸気通路(2G)と、前記吸気通路を開閉する一方向弁(54)と、前記クランク室と前記シリンダの側部とに連通し、前記ピストンによって前記シリンダとの連通及び遮断が切り替えられる掃気ポート(55)と、前記燃焼室の頂部に連通する排気ポート(31)と、前記排気ポートを開閉する排気弁(32)と、前記クランク室及び前記掃気ポートの少なくとも一方に燃料を噴射する燃料噴射弁(68)と、前記シリンダ壁に形成された貫通孔(71)に装着され、前記ピストンの頂面が前記貫通孔よりも下死点側に位置するときに前記燃焼室に水を噴射する水噴射弁(72)と、を備える。 In order to solve the above problems, a premixed compression auto-ignition two-stroke engine (E) according to an aspect of the present invention includes a cylinder wall (19, 3, 4) that defines a cylinder (22), and a reciprocating motion to the cylinder. A piston (23) that is movably provided and defines a combustion chamber (29) in the cylinder; a crankcase (2) that defines a crank chamber (2A) communicating with the lower end of the cylinder; An intake passage (2G) that communicates with the chamber, a one-way valve (54) that opens and closes the intake passage, and the crank chamber and the side of the cylinder. The piston is connected to and disconnected from the cylinder. A scavenging port (55) to be switched, an exhaust port (31) communicating with the top of the combustion chamber, an exhaust valve (32) for opening and closing the exhaust port, a small number of the crank chamber and the scavenging port A fuel injection valve (68) for injecting fuel into at least one and a through hole (71) formed in the cylinder wall are mounted, and the top surface of the piston is located on the bottom dead center side with respect to the through hole. A water injection valve (72) for injecting water into the combustion chamber sometimes.
この構成によれば、水噴射弁が燃焼室に水を噴射することで燃焼室温度を低下させることができる。これにより、HCCI燃焼が成立する運転領域を拡大させることができる。また、水噴射弁が燃焼室に水を噴射するため、クランクケースに水が付着ないし溜まることが抑制される。 According to this configuration, the temperature of the combustion chamber can be lowered by the water injection valve injecting water into the combustion chamber. Thereby, the operation area | region where HCCI combustion is materialized can be expanded. Further, since the water injection valve injects water into the combustion chamber, it is possible to prevent water from adhering to or accumulating in the crankcase.
また、上記の構成において、前記貫通孔(71)は、上死点に位置する前記ピストン(23)の頂面と下死点に位置する前記ピストン(23)の頂面との間において前記シリンダ(22)の側部に連通するように形成され、前記水噴射弁(72)が前記シリンダの軸線(A)に向いているとよい。 In the above configuration, the through hole (71) is formed between the top surface of the piston (23) located at the top dead center and the top surface of the piston (23) located at the bottom dead center. Preferably, the water injection valve (72) faces the axis (A) of the cylinder.
水噴射弁がシリンダ壁の上壁に設けられると、燃焼室の上部に噴射された水が燃焼室の頂部に連通する排気ポートに排出され易く、所望の冷却効果が得られないことがある上、水噴射弁に耐熱性が必要になる。これに対し、この構成では、水噴射弁がシリンダの側部にてシリンダ軸線に向けて燃焼室内の混合気に水を噴射できるため、所望の混合気冷却効果を得ることができる上、必要な耐熱性を低下させることができる。 If the water injection valve is provided on the upper wall of the cylinder wall, the water injected to the upper part of the combustion chamber is easily discharged to the exhaust port communicating with the top of the combustion chamber, and the desired cooling effect may not be obtained. The water injection valve needs heat resistance. On the other hand, in this configuration, since the water injection valve can inject water into the air-fuel mixture in the combustion chamber toward the cylinder axis at the side of the cylinder, a desired air-fuel mixture cooling effect can be obtained and necessary. Heat resistance can be reduced.
また、上記の構成において、前記貫通孔(71)は、頂面を基準とする前記ピストン(23)のストローク(S)を3等分したときに中央に位置するストローク(S2)に対応する位置に形成されているとよい。 In the above configuration, the through hole (71) corresponds to a stroke (S2) located in the center when the stroke (S) of the piston (23) with respect to the top surface is divided into three equal parts. It is good to be formed.
この構成によれば、上死点側のストロークに対応する位置に貫通孔が形成される場合に比べ、水噴射弁の受熱量が小さくなり、下死点側のストロークに対応する位置に貫通孔が形成される場合に比べ、燃焼室に水を噴射できる期間が長くなる。これらのことにより、耐熱性能が低く、単位時間当り噴射量が小さな廉価な水噴射弁の採用が可能になる。 According to this configuration, the amount of heat received by the water injection valve is smaller than when the through hole is formed at the position corresponding to the top dead center side stroke, and the through hole is formed at the position corresponding to the bottom dead center side stroke. Compared with the case where is formed, the period during which water can be injected into the combustion chamber becomes longer. For these reasons, it is possible to adopt an inexpensive water injection valve with low heat resistance and a small injection amount per unit time.
また、上記の構成において、前記貫通孔(71)が、前記シリンダ壁(19、3)における前記掃気ポート(55)の前記シリンダ(22)側の開口(56)に対向する位置に対して前記シリンダの周方向にオフセットした位置に形成されているとよい。 Further, in the above configuration, the through hole (71) is located at a position facing the opening (56) on the cylinder (22) side of the scavenging port (55) in the cylinder wall (19, 3). It may be formed at a position offset in the circumferential direction of the cylinder.
この構成によれば、水噴射弁から燃焼室に噴射された水が掃気ポートを介してクランク室に浸入することが抑制される。 According to this configuration, water injected from the water injection valve into the combustion chamber is prevented from entering the crank chamber via the scavenging port.
また、上記の構成において、前記貫通孔(71)が、前記掃気ポート(55)の前記シリンダ(22)側の開口(56)の上縁よりも前記ピストン(23)の上死点側に形成され、前記水噴射弁(72)が、下降行程の前記ピストンが前記貫通孔を通過する第1クランク角(A1(例えば、90°))から上昇行程の前記ピストンが前記貫通孔に達する第2クランク角(A2(例えば、270°))の角度範囲で水を噴射するとよい。 In the above configuration, the through hole (71) is formed on the top dead center side of the piston (23) with respect to the upper edge of the opening (56) on the cylinder (22) side of the scavenging port (55). The water injection valve (72) is configured such that the piston in the upward stroke reaches the through hole from the first crank angle (A1 (for example, 90 °)) in which the piston in the downward stroke passes through the through hole. Water may be injected within an angle range of a crank angle (A2 (for example, 270 °)).
この構成によれば、掃気ポートから燃焼室内への混合気の流入が開始された後に水が噴射されるため、噴射された水が排気ポートに排出され難く、所望の冷却効果が得られる。また、掃気ポートと燃焼室とが互いに連通しているときでも、掃気ポートから混合気が流入しているため、水が掃気ポートを介してクランク室に浸入することが抑制される。 According to this configuration, since water is injected after the inflow of the air-fuel mixture from the scavenging port into the combustion chamber is started, the injected water is hardly discharged to the exhaust port, and a desired cooling effect is obtained. Further, even when the scavenging port and the combustion chamber communicate with each other, since the air-fuel mixture flows from the scavenging port, water can be prevented from entering the crank chamber via the scavenging port.
また、上記の構成において、前記水噴射弁(72)が、上昇行程の前記ピストン(23)の頂面が前記掃気ポート(55)を通過する第3クランク角(A3(例えば、225°))の後に水を噴射するとよい。 In the above configuration, the water injection valve (72) has a third crank angle (A3 (for example, 225 °)) at which the top surface of the piston (23) in the upward stroke passes through the scavenging port (55). Water should be jetted after.
この構成によれば、噴射された水が掃気ポートに浸入することがない上、水が排気ポートから排出されることも抑制される。 According to this configuration, the injected water does not enter the scavenging port, and water is also prevented from being discharged from the exhaust port.
以上の構成によれば、潤滑油への水の混入を回避しつつ、HCCI燃焼が成立する運転領域を拡大させることが可能なエンジンを提供することができる。 According to the above configuration, it is possible to provide an engine capable of expanding an operation region in which HCCI combustion is established while avoiding mixing of water into the lubricating oil.
以下、図面を参照して、本発明を単気筒の予混合圧縮自着火2ストロークエンジン(以下、エンジンEという)に適用した実施形態について詳細に説明する。本実施形態に係るエンジンEは、掃気及び排気の流れに曲がりが少ないユニフロー2ストロークエンジンとして構成される。エンジンEは、軽油やガソリンを燃料とする。 Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to a single-cylinder premixed compression auto-ignition two-stroke engine (hereinafter referred to as engine E) will be described in detail with reference to the drawings. The engine E according to the present embodiment is configured as a uniflow two-stroke engine with less bending in the scavenging and exhaust flow. Engine E uses light oil or gasoline as fuel.
図1及び図2に示されるように、エンジンEの機関本体1は、内部にクランク室2Aを画成するクランクケース2と、クランクケース2の上部に接合されたシリンダブロック3と、シリンダブロック3の上部に接合されたシリンダヘッド4と、シリンダヘッド4の上部に接合され、シリンダヘッド4との間に上部動弁室6を画成するヘッドカバー5とを有する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
クランクケース2は、図2に示されるように、上下に延びる面(シリンダ軸線Aを通る面)で左右に分割された一対のクランクケース半体によって構成される。左右のクランクケース半体は、ボルトによって互いに締結され、両半体間にクランク室2Aを形成する。クランクケース2の左右の側壁2B、2Cには、軸受を介してクランクシャフト8が回転可能に支持される。
As shown in FIG. 2, the
クランクシャフト8は、クランクケース2の側壁2B、2Cに支持される一対のジャーナル8Aと、両ジャーナル8A間に設けられた一対のウェブ8Bと、両ウェブ8Bによってジャーナル8Aから偏心した位置に支持されたクランクピン8Cとを有する。
The
右の側壁2Cの外面側にはエンドプレート11が締結される。エンドプレート11は、周縁部において右の側壁2Cの外面に締結され、右の側壁2Cとの間に下部動弁室12を形成する。クランクシャフト8の左端部8Dは、クランクケース2の左の側壁2Bを貫通して左方に延出する。クランクシャフト8の右端部8Eは、クランクケース2の右の側壁2C及びエンドプレート11を貫通して右方へと延出する。クランクシャフト8の左端部8Dが左の側壁2Bを貫通する部分、及び右端部8Eがエンドプレート11を貫通する部分には、クランク室2Aの気密性を確保するためのシール部材がそれぞれ設けられる。
An
クランクケース2の上部には、上下に延び、上端がクランクケース2の上端面に開口すると共に、下端がクランク室2Aに向けて開口する断面円形の第1スリーブ受容孔16が形成されている。
A first
シリンダブロック3は、上下に延在し、下端面においてクランクケース2の上端面に接合される。シリンダブロック3には、上端面から下端面に上下に貫通する第2スリーブ受容孔18が形成されている。第2スリーブ受容孔18は、上部が下部に対して段違いに拡径された円形断面の段付き孔であり、上部及び下部の境界部に上方を向く環状の肩面18Aを有する。第2スリーブ受容孔18の下端開口は、シリンダブロック3の第1スリーブ受容孔16の上端開口と同軸に対向し、互いに連通する。第1スリーブ受容孔16及び第2スリーブ受容孔18の下部の内径は等しく、連続した孔を形成する。
The
第1及び第2スリーブ受容孔16、18には、円筒状のシリンダスリーブ19が圧入される。シリンダスリーブ19は、外周部に径方向外方に突出する環状の凸部21を有する。凸部21が肩面18Aに当接することによって、シリンダスリーブ19の第1及び第2スリーブ受容孔16、18に対する位置が定まる。シリンダスリーブ19の下端は、第1スリーブ受容孔16の下端開口から下方に突出し、クランク室2Aの内部において突出端となっている。シリンダスリーブ19の上端はシリンダブロック3の上端面と面一となる位置に配置され、シリンダブロック3に接合されるシリンダヘッド4の下端面に当接する。これにより、シリンダスリーブ19は、肩面18Aとシリンダヘッド4の下面との間に挟持され、シリンダ軸線A方向において位置が定まる。シリンダスリーブ19の内孔は、シリンダ22を形成する。即ち、シリンダブロック3、シリンダスリーブ19及びシリンダヘッド4は、シリンダ22を形成するシリンダ壁を構成する。
A
シリンダ22には、往復動可能にピストン23が受容される。ピストン23は、クランクシャフト8と平行に延びるピストンピン23Aを有する。ピストンピン23Aには、軸受を介してコンロッド26の小端部が回動可能に支持される。コンロッド26の大端部は、軸受を介してクランクピン8Cに回動可能に支持される。ピストン23とクランクシャフト8とがコンロッド26によって連結されることによって、ピストン23の往復動がクランクシャフト8の回転運動に変換される。
The
図1及び図2に示されるように、シリンダヘッド4の下端面におけるシリンダスリーブ19に対応する位置には、半球状の燃焼室凹部28が形成されている。シリンダ22内には、燃焼室凹部28とピストン23の頂面との間に燃焼室29が画成される。
As shown in FIGS. 1 and 2, a hemispherical
シリンダヘッド4には、点火プラグ30が燃焼室29に臨むように設けられている。また、シリンダヘッド4には、燃焼室凹部28に開口して燃焼室29の頂部に連通するように排気ポート31が形成されると共に、排気ポート31を開閉するポペット型の排気弁32が設けられている。排気弁32は、そのステムエンドが上部動弁室6に配置され、バルブスプリング33によって閉方向に付勢されている。排気弁32は、動弁機構34によって、クランクシャフト8の回転に同期して開閉駆動される。
A
図2に示されるように、動弁機構34は、クランクシャフト8の回転に応じて回転するカムシャフト41と、カムシャフト41によって進退駆動されるプッシュロッド42と、プッシュロッド42によって駆動され、排気弁32を開方向に押すロッカアーム43とを有する。カムシャフト41は、下部動弁室12にクランクシャフト8と平行に配置されている。カムシャフト41は、一端がクランクケース2の右の側壁2Cに回転可能に支持されると共に、他端がエンドプレート11に回転可能に支持される。クランクシャフト8は、下部動弁室12に位置する部分にクランクギヤ45を有し、カムシャフト41はクランクギヤ45に噛み合うカムギヤ46を有する。クランクギヤ45とカムギヤ46のギヤ比は1:1である。カムシャフト41には、板カムであるカム47が設けられている。
As shown in FIG. 2, the
プッシュロッド42は、両端が開口した管状のロッドケース51に進退可能に収容されている。ロッドケース51は、上下に延在し、下端がクランクケース2の右の側壁2Cに接合されて下部動弁室12に連通すると共に、上端がシリンダブロック3に接合されて上部動弁室6に連通する。プッシュロッド42は、下端においてカムシャフト41のカム47に当接し、カムシャフト41の回転に応じて進退する。プッシュロッド42の下端にローラを設け、ローラにおいてカム47に転接するようにしてもよい。
The
ロッカアーム43は、シリンダヘッド4に支持されたロッカシャフト52に回動可能に支持される。ロッカシャフト52は、シリンダ軸線A及びクランクシャフト8の軸線と直交する方向に延在する。ロッカアーム43は、一端にプッシュロッド42の上端に当接する受け部43Aを有し、他端に排気弁32のステムエンドに当接するスクリュアジャスタ43Bを有する。
The
以上の構成の動弁機構34によって、クランクシャフト8が1回転する毎に、所定のタイミングで排気弁32が1回開かれる。
With the
図1に示されるように、クランクケース2の前側壁2Dには、前方に突出した突出部2Fが形成されている。突出部2Fの内部は、前後に延びる吸気通路2Gを形成し、後端においてクランク室2Aに連通し、前端が開口となっている。吸気通路2Gの前端は、突出部2Fの前端に締結された蓋36によって閉塞されている。突出部2Fの左側壁部には、突出部2Fの外部と内部とを連通する貫通孔である吸気ポート53が形成されている。吸気ポート53の外端には、図示しないエアクリーナ等を有する吸気装置が接続される。吸気ポート53には、吸気ポート53側からクランク室2A側への流体の流れを許容する一方で、クランク室2A側から吸気ポート53側への流体の流れを阻止する一方向弁としてのリード弁54が設けられている。リード弁54は、通常は閉弁しており、ピストン23の上昇によってクランク室2A内の圧力が低下すると開弁する。
As shown in FIG. 1, the
クランクケース2及びシリンダスリーブ19には、クランク室2Aとシリンダスリーブ19の内部(シリンダ22の側部)とを連通する2つの掃気ポート55が形成されている。各掃気ポート55は、シリンダスリーブ19に形成された複数の掃気口56と、複数の掃気口56からクランク室2Aに延びる通路部57とを含む。通路部57は、クランクケース2の上部であって、第1スリーブ受容孔16の周囲に形成されている。本実施形態では、1つの掃気ポート55が、2つの掃気口56と1つの通路部57とを有する。掃気口56は、シリンダスリーブ19の第1スリーブ受容孔16内に対応する部分に、径方向に貫通するように形成されている。掃気口56の高さ寸法は、ピストン23の外周面の高さ寸法よりも小さく設定されている。
Two scavenging
掃気口56(掃気ポート55)は、ピストン23の往復動によって開閉される。具体的には、ピストン23が掃気口56と対応する位置にあるときには、掃気ポート55はピストン23の外周部によって閉じられ、ピストン23の下縁が掃気口56の下縁よりも上方(上死点側)にあるときには、掃気ポート55がシリンダ22のピストン23よりも下側部分に連通するように開かれ、ピストン23の頂面(上縁)が掃気口56の上縁よりも下方(下死点側)にあるときには、掃気ポート55がシリンダ22のピストン23よりも上側部分(燃焼室29)に連通するように開かれる。このように、掃気ポート55は、ピストン23によってシリンダ22との連通及び遮断を切り替えられる。
The scavenging port 56 (scavenging port 55) is opened and closed by the reciprocating motion of the
図1〜図3に示されるように、本実施形態では、エンジンEは2つの掃気ポート55を有する。2つの掃気ポート55及び掃気口56は、シリンダ軸線Aを中心として、回転対称形をなし、180°回転対称位置に配置されている。
As shown in FIGS. 1 to 3, in the present embodiment, the engine E has two scavenging
各掃気ポート55の上流側部分57Aは、クランク室2Aに連通する下端からシリンダスリーブ19の径方向外方をシリンダ軸線Aと平行に上方に延びる。上流側部分57Aの上端は、掃気口56の上縁よりも上方に配置される。
The
図3に示されるように、各掃気ポート55の下流側部分57Bは、上流側部分57Aの上部から掃気口56に向けてシリンダスリーブ19の径方向外方を周方向に延在する。下流側部分57Bは、シリンダ軸線Aに沿った上側から見た場合に、上流側から下流側に向けてシリンダ軸線Aを中心とした反時計回り方向に延在している。下流側部分57Bの下流端は、2つの掃気口56と連通している。
As shown in FIG. 3, the
図2に示されるように、下流側部分57Bは、シリンダ軸線Aを中心とした周方向において上流側から下流側に向けて下方に傾斜するとよい。また、下流側部分57Bは、シリンダ軸線Aを中心とした径方向において上流側(径方向外側)から下流側(径方向内側)に向けて下方に傾斜するとよい。下流側部分57Bは、掃気ポート55からシリンダ22内に流入するガス流に下向きの速度成分を与えるガイド手段として機能する。
As shown in FIG. 2, the
図1に示されるように、シリンダスリーブ19のクランク室2Aに突入した下端部の外周部には環状の油路形成部材60が接合されている。油路形成部材60の内周面は、シリンダスリーブ19の外周面と周方向にわたって面接触する。シリンダスリーブ19の外周面であって、油路形成部材60の内周面に対向する部分には、周方向に環状に延在する環状溝(符号省略)が形成されている。環状溝は、油路形成部材60によって覆われ、環状通路を形成する。油路形成部材60には、径方向に貫通し、環状溝に連通する油入口孔(番号省略)が形成されている。シリンダスリーブ19には、径方向に貫通し、環状溝に連通する油供給孔(番号省略)が形成されている。油供給孔は、シリンダスリーブ19の周方向において複数形成されている。
As shown in FIG. 1, an annular oil
シリンダブロック3には、第1油路64が形成されている。第1油路64は、シリンダブロック3の側面に開口する一端と、シリンダブロック3の下端面に開口する他端とを有する。クランクケース2には、掃気ポート55からシリンダブロック3の下端面であって、第1油路64が開口する部分に延びる通路65が形成されている。第1油路64のシリンダブロック3の下端面における開口端には、第2油路を形成する第2油路管66の一端が接続されている。第2油路管66は、通路65内を延びて掃気ポート55内に突入し、他端が油路形成部材60の油入口孔に接続されている。これにより、図示しないオイルポンプによって圧送されたオイルは、第1油路64、第2油路管66、油入口孔、環状溝、及び油供給孔を順に通過してシリンダスリーブ19の内壁に供給される。
A
図2に示されるように、クランクケース2の左右の側壁2B、2Cの内面には、互いに近接する方向に突出する鍔部67が設けられている。鍔部67は、クランクシャフト8と干渉しないように、ピストン23が上死点に位置するときのウェブ8Bの上端よりも上方に配置される。また、一対の鍔部67は、コンロッド26と干渉しないように、その先端同士が左右方向において所定の隙間を有するように配置されている。
As shown in FIG. 2,
図1に示されるように、クランクケース2の後側壁2Eであって、鍔部67よりも上方に位置する部分には、燃料噴射弁68が取り付けられている。燃料噴射弁68の先端は、シリンダスリーブ19の下端を向いている。燃料噴射弁68は、所定のタイミングでクランク室2Aに燃料を噴射するように制御装置70によって駆動制御される。
As shown in FIG. 1, a
シリンダブロック3の前壁の下部には、シリンダブロック3の前壁及びシリンダスリーブ19を径方向に貫通する貫通孔71が形成されている。即ち、貫通孔71は、上死点に位置するピストン23の頂面と下死点に位置するピストン23の頂面との間においてシリンダ22の側部に連通するように形成されている。貫通孔71は、掃気口56の上縁よりもピストン23の上死点側に形成されている。更に、貫通孔71は、頂面を基準とするピストン23のストロークSを3等分し、上死点側から順に第1、第2、第3ストロークS1、S2、S3としたときに、中央に位置する第2ストロークS2に対応する位置に形成されている。本実施形態では、貫通孔71は、ピストン23のストロークSの中央の近傍に形成されている。貫通孔71は、図3に併せて示されるように、貫通孔71は、掃気口56に対向する位置に対してシリンダ22の周方向にオフセットした位置に形成されている。
A through
この貫通孔71には、水噴射弁72が貫通孔71を塞ぐように装着されている。水噴射弁72は、燃料噴射弁68と同一製品であってよく、先端をシリンダ22へ突出させないように貫通孔71に挿入し、且つ先端のノズルをシリンダ軸線Aに向けて略水平に延在させるようにシリンダブロック3に取り付けられている。水噴射弁72は、所定のタイミングで燃焼室29に燃料を噴射するように制御装置70によって駆動制御される。制御装置70は、冷却水温や外気温、運転時間等に基づき、水噴射弁72に水を噴射させることにより、暖機後の圧縮自着火を安定させる。
A
図4は、1サイクルにおけるクランク角とエンジンEの各部との関係を示すグラフである。図4には、上段から順に、掃気ポート55の連通状態、貫通孔71の開口状態及び水噴射弁72の駆動状態を(A)〜(C)に示している。なお、(A)の掃気ポート55の連通状態における実線は、掃気ポート55とシリンダ22のピストン23よりも上の燃焼室29との連通状態を示し、想像線は、掃気ポート55とシリンダ22のピストン23よりも下の部分(クランク室2Aに連通する部分)との連通状態を示している。掃気口56が所定の高さを有することにより、連通状態が全閉から全開になるまで及び全開から全閉になるまでには所定のクランク角を要する。一方、(B)の貫通孔71の開口状態では、シリンダ22のピストン23よりも下の部分(以下、単にシリンダ22と記す。)との連通状態を、「シリンダ」として、「燃焼室」として示すシリンダ22のピストン23よりも上の燃焼室29との連通状態と別に示している。「シリンダ」及び「燃焼室」のラインはそれぞれ全開を意味する。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the crank angle and each part of the engine E in one cycle. 4A to 4C show the communication state of the scavenging
図4(A)及び(B)に示されるように、クランク角が0°のときには、掃気ポート55はシリンダ22に連通し、水噴射はシリンダ22に開口している。ピストン23の下降行程においてクランク角が0°から大きくなると、貫通孔71が掃気口56の上縁よりも上死点側に形成されていることから、貫通孔71が先にピストン23によって閉じられる。その後、ピストン23が更に下降すると、掃気ポート55がピストン23によって閉じられ始める。ピストン23の頂面が貫通孔71の下縁を通過する第1クランク角A1(例えば、90°)において、貫通孔71は燃焼室29に全面的に開口する。更にピストン23が下降し、その頂面が掃気口56の上縁に一致する第2クランク角A2(例えば、135°)になると、掃気ポート55と燃焼室29とが互いに連通し、クランク角の増大に応じてその連通面積が拡大する。クランク角が180°になる前に、ピストン23の頂面が掃気口56の下縁を通過し、掃気口56は燃焼室29に全開状態で連通する。
As shown in FIGS. 4A and 4B, when the crank angle is 0 °, the scavenging
ピストン23の上昇行程においては、下死点であるクランク角180°を中心にして左右対称の連通状態となっており、下降行程と逆の動作を辿る。即ち、最初に燃焼室29に連通する掃気ポート55が上昇するピストン23によって閉じられ始め、ピストン23の頂面が掃気口56の上縁に一致する第3クランク角A3(例えば、225°)において、掃気ポート55がピストン23によって全閉とされる。その後、ピストン23の頂面が貫通孔71の下縁に一致する第4クランク角A4(例えば、270°)において、貫通孔71も閉じられ始める。ピストン23の下縁が掃気口56の下縁を通過すると、掃気ポート55はシリンダ22に連通し、ピストン23の下縁が貫通孔71の下縁を通過すると、貫通孔71がシリンダ22に開口する。
In the ascending stroke of the
図4(C)に示されるように、水噴射弁72は、暖機後、上昇行程においてピストン23の頂面が掃気口56の上縁に一致する第3クランク角A3から、ピストン23の頂面が貫通孔71の下縁に一致する第4クランク角A4の間に、燃焼室29に向けて水を噴射するように制御装置70によって駆動制御される。燃焼室29に水が噴射されることにより、燃焼室29内の混合気は適切なタイミングで自着火する温度へと冷却される。
As shown in FIG. 4C, the
このように構成されたエンジンEは、始動後、次のように動作する。図1を参照すると、まず、ピストン23の上昇行程では、ピストン23の上昇に伴うクランク室2Aの膨張によって、クランク室2Aの圧力が低下する。これにより、リード弁54が開弁し、新気が吸気ポート53を介してクランク室2Aに流入する。クランク室2Aに流入した新気には、燃料噴射弁68から燃料が噴射され、混合気が生成される。同時に、シリンダ22の上部(燃焼室29)の混合気はピストン23によって圧縮されて高温になり、ピストン23が上死点近傍にあるときに自着火する(圧縮自着火)。なお、エンジンEの始動時には、点火プラグ30による火花点火によって燃料が燃焼する。
The engine E configured as described above operates as follows after starting. Referring to FIG. 1, first, in the upward stroke of the
その後、ピストン23が下降行程に移ると、ピストン23の下降に伴うクランク室2Aの収縮によって、クランク室2Aの圧力が上昇する。これにより、リード弁54が閉じられ、クランク室2A内の混合気が圧縮される。ピストン23の下降が進むと、動弁機構34に駆動された排気弁32が排気ポート31を開く。これにより、燃焼室29内の膨張した排気ガス(既燃焼ガス)がブローダウン流となって排気ポート31に流れる。続いて、ピストン23の上端縁が掃気口56の上縁より下がると(ピストン23が掃気ポート55を開くと)、燃焼室29と掃気ポート55とが互いに連通する。このとき、燃焼室29内の既燃焼ガスは排気ポート31に流れ、燃焼室29内の圧力は十分に低下し、クランク室2Aの圧力よりも低くなっている。そのため、掃気ポート55から燃焼室29に混合気が流れる。これにより、燃焼室29内の既燃焼ガスは、燃焼室29に流入する混合気によって押し出されるように排気ポート31から排出される。
Thereafter, when the
ピストン23が再び上昇行程に移ると、最初に掃気ポート55がピストン23によって閉じられる。掃気ポート55がピストン23によって閉じられると、水噴射弁72が燃焼室29に水を噴射する。水の噴射は、ピストン23が貫通孔71を閉じ始めるまでに終了し、その後、ピストン23が更に上昇すると、カム47によって駆動された排気弁32が排気ポート31を閉じ、ピストン23の上昇に伴って燃焼室29内の混合気が圧縮される。同時に、クランク室2A内が減圧され、リード弁54から新気が吸入される。圧縮された混合気は、水噴射によって適切な温度に冷却されているため、ピストン23が上死点近傍にある所定のタイミングで自着火する。
When the
このようにして、エンジンEは2サイクル動作を行う。掃気ポート55からシリンダ22を経由して排気ポート31へと流れる掃気及び排気の流れは、曲がりの少ないユニフローとなる。
In this way, the engine E performs a two-cycle operation. The flow of scavenging and exhaust gas flowing from the scavenging
以下、本実施形態に係るエンジンEの効果を説明する。エンジンEは、シリンダ壁に形成された貫通孔71に装着され、ピストン23の頂面が貫通孔71よりも下死点側に位置するときに燃焼室29に水を噴射する水噴射弁72を備えている。これにより、水噴射弁72が燃焼室29に水を噴射することで燃焼室温度を低下させることができるため、HCCI燃焼が成立する運転領域を拡大させることができる。また、水噴射弁72が燃焼室29に水を噴射するため、クランクケース2に水が付着ないし溜まることが抑制される。
Hereinafter, the effect of the engine E according to the present embodiment will be described. The engine E is mounted in a through
本実施形態では、貫通孔71は、上死点に位置するピストン23の頂面と下死点に位置するピストン23の頂面との間においてシリンダ22の側部に連通するように形成され、図3に示されるように水噴射弁72がシリンダ軸線Aに向いている。これにより、水噴射弁72がシリンダ22の側部にて燃焼室29内の混合気に向けて水を噴射することでき、混合気を所望に冷却することができる。また、水噴射弁72がシリンダヘッド4に設けられる場合に比べ、水噴射弁72に求められる耐熱性は低い。
In the present embodiment, the through
なお、他の実施形態では、貫通孔71がシリンダヘッド4に形成され、水噴射弁72がシリンダヘッド4の貫通孔71に装着されてもよい。このような形態であっても、シリンダヘッド4やシリンダブロック3、シリンダスリーブ19を冷却して燃焼室温度を低下させることができる。
In other embodiments, the through
図1に示されるように、貫通孔71は、頂面を基準とするピストン23のストロークSを3等分したときに中央に位置する第2ストロークS2に対応する位置に形成されている。そのため、上死点側の第1ストロークS1に対応する位置に貫通孔71が形成される場合に比べ、水噴射弁72の受熱量が小さくなり、下死点側の第3ストロークS3に対応する位置に貫通孔71が形成される場合に比べ、燃焼室29に水を噴射できる期間が長くなる。これらのことにより、耐熱性能が低く、単位時間当り噴射量が小さな廉価な水噴射弁72を採用できる。
As shown in FIG. 1, the through
図1及び図3に示されるように、貫通孔71は、シリンダブロック3における掃気口56に対向する位置に対してシリンダ22の周方向にオフセットした位置に形成されている。そのため、水噴射弁72から燃焼室29に噴射された水が掃気ポート55を介してクランク室2Aに浸入することが抑制される。
As shown in FIGS. 1 and 3, the through
図4に示されるように、貫通孔71は、掃気ポート55のシリンダ22側の開口である掃気口56の上縁よりもピストン23の上死点側に形成され、水噴射弁72は、下降行程のピストン23が貫通孔71を通過する第1クランク角A1(例えば、90°)から上昇行程のピストン23が貫通孔71に達する第2クランク角A2(例えば、270°)の角度範囲で水を噴射する。このように、掃気ポート55から燃焼室29内への混合気の流入が開始された後に水が噴射されるため、噴射された水が排気ポート31に排出され難く、所望の冷却効果が得られる。また、掃気ポート55と燃焼室29とが互いに連通しているときでも、掃気ポート55から混合気が流入しているため、水が掃気ポート55を介してクランク室2Aに浸入することが抑制される。
As shown in FIG. 4, the through
本実施形態では特に、水噴射弁72は、上昇行程のピストン23の頂面が掃気ポート55を通過する第3クランク角A3(例えば、225°)の後に水を噴射する。そのため、噴射された水が掃気ポート55に浸入することがない上、水が排気ポート31から排出されることも抑制される。
Particularly in the present embodiment, the
以上、本発明を、その好適実施形態について説明したが、当業者であれば容易に理解できるように、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, as those skilled in the art can easily understand, the present invention is not limited to such embodiments, and does not depart from the spirit of the present invention. The range can be changed as appropriate.
例えば、上記実施形態では、燃料噴射弁68は、クランク室2Aに燃料を噴射するようにクランクケース2の後側壁2Eに取り付けられているが、他の部位に取り付けられてもよい。図5は、変形例に係るエンジンEの縦断面図を示している。燃料噴射弁68は、図5の例では、クランク室2Aではなく、掃気ポート55に燃料を噴射するようにクランクケース2の後側壁2Eに取り付けられている。このような構成であっても、掃気ポート55から燃焼室29に混合気を流入させ、水噴射弁72によって燃焼室29内に水を噴射して混合気或いは燃焼室29の温度を低下させることができる。
For example, in the above-described embodiment, the
或いは、図示省略するが、燃料噴射弁68は、吸気通路2Gを介してクランク室2Aに燃料を噴射するように、クランクケース2の突出部2Fに取り付けられてもよい。更に、これらの箇所に複数の燃料噴射弁68が設けられてもよい。
Alternatively, although not shown, the
また、上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。 In addition, all the components shown in the above embodiment are not necessarily essential, and can be appropriately selected without departing from the gist of the present invention.
2 クランクケース
2A クランク室
2G 吸気通路
3 シリンダブロック(シリンダ壁)
4 シリンダヘッド(シリンダ壁)
19 シリンダスリーブ(シリンダ壁)
22 シリンダ
23 ピストン
29 燃焼室
31 排気ポート
32 排気弁
54 リード弁(一方向弁)
55 掃気ポート
56 掃気口(シリンダ側の開口)
68 燃料噴射弁
70 制御装置
71 貫通孔
72 水噴射弁
A1 第1クランク角
A2 第2クランク角
A3 第3クランク角
A4 第4クランク角
E エンジン(予混合圧縮自着火2ストロークエンジン)
2
4 Cylinder head (cylinder wall)
19 Cylinder sleeve (cylinder wall)
22
55
68
Claims (6)
前記シリンダに往復動可能に設けられ、前記シリンダ内に燃焼室を画成するピストンと、
前記シリンダの下端に連通するクランク室を画成するクランクケースと、
前記クランク室に連通する吸気通路と、
前記吸気通路を開閉する一方向弁と、
前記クランク室と前記シリンダの側部とに連通し、前記ピストンによって前記シリンダとの連通及び遮断が切り替えられる掃気ポートと、
前記燃焼室の頂部に連通する排気ポートと、
前記排気ポートを開閉する排気弁と、
前記クランク室及び前記掃気ポートの少なくとも一方に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記シリンダ壁に形成された貫通孔に装着され、前記ピストンの頂面が前記貫通孔よりも下死点側に位置するときに前記燃焼室に水を噴射する水噴射弁と、を備えることを特徴とする予混合圧縮自着火2ストロークエンジン。 A cylinder wall defining the cylinder;
A piston that is reciprocally movable in the cylinder, and that defines a combustion chamber in the cylinder;
A crankcase defining a crank chamber communicating with the lower end of the cylinder;
An intake passage communicating with the crank chamber;
A one-way valve for opening and closing the intake passage;
A scavenging port that communicates with the crank chamber and the side of the cylinder, and that is switched between communication and shut-off with the cylinder by the piston;
An exhaust port communicating with the top of the combustion chamber;
An exhaust valve for opening and closing the exhaust port;
A fuel injection valve for injecting fuel into at least one of the crank chamber and the scavenging port;
A water injection valve that is attached to a through-hole formed in the cylinder wall and that injects water into the combustion chamber when the top surface of the piston is located on the bottom dead center side of the through-hole. Features a premixed compression auto-ignition two-stroke engine.
前記水噴射弁が前記シリンダの軸線に向いていることを特徴とする請求項1に記載の予混合圧縮自着火2ストロークエンジン。 The through hole is formed to communicate with a side portion of the cylinder between a top surface of the piston located at a top dead center and a top surface of the piston located at a bottom dead center,
2. The premixed compression self-ignition two-stroke engine according to claim 1, wherein the water injection valve faces the axis of the cylinder.
前記水噴射弁が、下降行程の前記ピストンが前記貫通孔を通過する第1クランク角から上昇行程の前記ピストンが前記貫通孔に達する第2クランク角の角度範囲で水を噴射することを特徴とする請求項2〜請求項4のいずれかに記載の予混合圧縮自着火2ストロークエンジン。 The through hole is formed on the top dead center side of the piston from the upper edge of the cylinder side opening of the scavenging port;
The water injection valve is configured to inject water in an angular range from a first crank angle at which the piston in the downward stroke passes through the through hole to a second crank angle at which the piston in the upward stroke reaches the through hole. The premixed compression self-ignition two-stroke engine according to any one of claims 2 to 4.
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